автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Разработка электродных покрытий на основе минерального сырья Восточно-Сибирского региона

На правах рукописи

ь

005014579

МАТАФОНОВ АЛЕКСЕЙ АНДРЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДНЫХ ПОКРЫТИИ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ВОСТОЧНО-СИБИРСКОГО РЕГИОНА

Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ГЛАР 2012

Барнаул - 2012

005014579

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет ггугей сообщения»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Руш Е.А.

доктор технических наук, профессор Макиенко В.М.

кандидат технических наук, профессор Чепрасов Д.П.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ангарская государственная

техническая академия»

Защита состоится «29» марта 2012 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.01 при ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 656038, г. Барнаул, ул. Ленина, 46, тел. (факс) 8(3852) 29-07-65, e-mail: vuoshevtsov@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «28» февраля 2011 г.

Ученый секретарь —;______[¿^ "у

диссертационн совета, к.т.н., доцент

диссертационного ( '"' Ю.О. Шевцов

Общая характеристика работы

Актуальность исследований. Создание новых сварочных материалов, обладающих высокими физико-механическими и технологическими свойствами, а также разработка экономичных и экологически безопасных технологий их получения является важной народнохозяйственной задачей. Для Восточной Сибири эта проблема представляется весьма актуальной, вследствие отсутствия развитой промышленной базы для переработки и производства материалов.

В зависимости от функционального назначения химический состав покрытий сварочных электродов разнообразен и требует строгого выполнения определетгых условий по рецептуре. В настоящий момент российские производители покрытых металлических электродов испытывают хронический дефицит основных и вспомогательных сырьевых материалов, входящих в состав электродных покрытий. Поставщики сырья, находящиеся за пределами РФ, определяют условную политику в электродном производстве, в частности, в Восточно-Сибирском регионе. В связи с этим появилась необходимость изучения регионального сырьевого комплекса, как эффективного средства минимизации затрат на производство сварочных материалов. На территории Восточно-Сибирского региона имеются большие запасы разведанного минерального сырья и отходов горно-обогатительных, металлургических, целлюлозно-бумажных производств, пригодных для получения отдельных компонентов и химических соединений, входящих в состав покрытий сварочных электродов, шихты порошковых проволок, флюсов. Вовлечение этих ресурсов в производство поможет решить проблему поиска недорогих импорт-замеютощкх сварочных материалов.

Замена традиционного сырья на сырье, полученное из других месторождений, является и теоретической задачей, требующей постановки дополнительных экспериментальных исследований и модельных испытаний по определению составов сварочных материалов, формированию на их основе новых рецептур. Одним из возможных инструментов ее решения является термодинамическое моделирование, позволяющее исследовать равновесие многокомпонентных систем.

Цель исследований - обоснование возможности вовлечения компонентов минерального сырья Восточно-Сибирского региона в производство электродных покрытий и разработка на их основе состава покрытия электрода типа Э-10Г2СХ для ручной дуговой наплавки.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

- изучить состав и свойства минерального сырья Восточной Сибири на перспективу их использования в качестве традиционных компонентов покрытий сварочных электродов;

- проанализировать традиционные шлаковые диаграммы состояния неметаллических веществ, применительно к сырью Восточно-Сибирского региона;

- разработать термодинамическую модель плавления электрода, полученного на основе использования компонентов минерального сырья Восточно-Сибирского региона, доказать ее адекватность экспериментальным данным;

- оценить сварочно-технологические свойства разработанного электрода.

Научная новизна:

- впервые выполнено комплексное исследование потенциальных компонентов сварочных материалов на основе сырья из месторождений Восточно-Сибирского региона;

- на основе результатов термодинамического моделирования теоретически обоснован выбор компонентов минерального сырья, пригодного для производства сварочных электродов;

- экспериментально доказана возможность использования мрамора, магнезита и плавикового шпата рассматриваемых месторождений в составе покрытия сварочного электрода;

- опытным путем дана оценка сварочно-технологическим свойствам электродов с разработанным составом покрытия на основе минерального сырья Восточно-Сибирского региона.

Практическая ценность работы заключается в разработке термодинамической модели плавления электрода, позволяющая существенно минимизировать затраты на корректировку традиционных и разработку новых сварочных покрытий.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований предложен опытный состав покрытия электрода, соответствующего типу Э-10Г2СХ. Результаты исследований подтверждены актами опытно-сравнительных испытаний.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Изучение состава и характеристик компонентов сварочных материалов из минерального сырья Восточно-Сибирского региона.

2. Способ расчета компонентного состава сварочных электродов.

3. Составы возможных композиций сварочных материалов с использованием компонентов сырья Восточно-Сибирского региона, рассчитанные на основе результатов термодинамического моделирования.

4. Результаты технологических испытаний.

Обоснованность и достоверность результатов

Достоверность и обоснованность основных научных результатов обеспечивалась многократным воспроизводством в модели экспериментальных данных, полученных различными методами исследования. Обоснованность предлагаемой рецептуры покрытия нового электрода подтверждена опытными испытаниями на объектах ВСЖД - филиала ОАО «Российские железные дороги».

Личный вклад автора Исследования, представленные в диссертации, являются результатом работы автора, который самостоятельно выполнял термодинамические расчеты и экспериментальные исследования, внес значительный вклад в обработку результатов термодинамического моделирования и подготовку научных публикаций. Автор лично принимал участие во всех стадиях опытных испытаний сварочных электродов с новыми компонентами в составе покрытия.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной научной конференции: «Технические, экономические и экологические проблемы транспорта» (Брянск, 2008); на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Интеллект - 2008» (Красноярск,

2008); на научно-практической конференции с международным участием: «Технические, экономические и экологические проблемы транспорта» (Иркутск, 2009); на научно-практической конференции с международным участием: «Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог» (Иркутск,

2009); на научно-практической конференции молодых ученых: «Современность в творчестве вузовской молодежи». (Иркутск, 2009); на V конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, 2009); на Всероссийском конкурсе молодежных авторских проектов «Моя страна - моя Россия» (Москва, 2009). По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе, три статьи в журналах, рекомендуемых ВАК России.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения^глав, заключения и приложения общим объемом 154 страницы, включая 30 таблиц, 18 рисунков и списка цитируемой литературы из 123 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено современное состояние проблемы обеспеченности отечественных производителей сварочных материалов сырьем, обосновывается актуальность диссертационной работа, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен подробный анализ современного состояния сырьевой базы для изготовления сварочных материалов с использованием различных компонентов в составе покрытий, представлена характеристика нестандартных компонентов в рецептуре новых сварочных материалов, используемых в современных технологических процессах, рассмотрена методология создания новых сварочных материалов.

Результаты анализа показывают слабую изученность поиска нового сырья на территории Восточно-Сибирского региона в качестве компонентов сварочных материалов. Поэтому требуется систематическое изучение минерального и химического состава сырья, а также разработка новых составов электродных покрытий.

Во второй главе приведены материалы и методы исследований опытных наплавочных электродов, выполнен химический, элементный и фазовый анализ минерального сырья Восточно-Сибирского региона. На основе результатов анализа произведен выбор компонентов электродных покрытий.

Экспериментальные исследования по разработке электродов для наплавки деталей железнодорожного транспорта с использованием минерального сырья Восточной Сибири проводились в лабораторных условиях на базе Иркутского государственного университета путей сообщений и Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН.

При постановке исследований использовалось современное отечественное и импортное оборудование, а испытания материалов проводились в соответствии с государственными стандартами и инструкциями НАКС.

При разработке новых электродных покрытий применен метод термодинамического моделирования, который позволил получить необходимые термодинамические характеристики минерального сырья и оптимизировать процесс создания новых электродов.

Для расчета сложных термодинамических реакций использовался программный комплекс «Селектор», обладающий универсальностью, эффективностью и большим диапазоном возможностей.

В качестве металлического стержня применялась стандартная сварочная проволока Св-08А диаметром 4 мм по ГОСТ 2246-70. При разработке электродов на основе сырья месторождений Восточной Сибири в шихте использованы: магнезит - Савинское месторождение (табл.1), мрамор - карьер «Перевал» г. Слюдянка (табл. 2), плавиковый шпат - Абагайтуйское месторождение (табл. 3), периклазовый концентрат - ОАО «Сибирские порошки» пос. Михайловка (табл. 4), ферросилиций - ОАО «Братский завод ферросплавов» г. Братск, ферромарганец. - ООО «Химико-марганцевая компания» г. Ангарск, алюминиевый порошок - «Иркутский алюминиевый завод». Остальные компоненты в составе покрытия (рутил, органические пластификаторы, феррохром, феррованадий, железный порошок) не изменялись, являясь традиционными.

Таблица 1 - Химический состав магнезитовых руд Савинского месторождения, (%)

мёо СаО 5Ю2 П.п.п.

44,5 2,4 7 - 49

Таблица 2 - Химический состав проб мраморов месторождения «Перевал», (%)

№ пробы 5Ю2 СаО МгО РсО МпО С02

1 0,4 50,7 4,8 0,2 0,8 43,4

2 0,7 51,2 3,6 - 0,1 43,7

3 1,2 49,6 6,4 0,3 0,4 42,2

№ пробы СаИг вЮг СаСО., Б Р

1 93,81 5,09 1,02 0,05 0,03

2 93,68 5,21 1,03 0,05 0,03

3 94,03 4,94 0,95 0,05 0,03

Таблица 4 - Химический состав порошка периклазового марки ППЭ-88, (%)

М80 СаО БЮг Ре203 А1203

88,1 1,85 4,0 2,8 0,35

В исследуемых пробах месторождения «Перевал» содержится достаточно высокое содержание магния, поэтому проведены дополнительные исследования по определению фазового состава мрамора (рис. 1) с целью выявления процентного содержания доломита (СаМ£(СОз)з). Исследования показали, что содержание СаЛ^(СОз)2варьируется от 35 до 40% и СаСОз - от 50 до 55%. Повышенное содержание доломита может негативно повлиять на газошлаковую защиту металла шва.

Для оценки химического, элементного, а также фазового состава отобранных проб месторождений Восточной Сибири, и полученных в процессе наплавки сварочных шлаков, применялись рентгеноспектральный, флуоресцентный и рентгагодифракционный анализы.

Содержание диффузионно-подвижного водорода в металле шва определяли методом «карандашных проб».

Испытания разработанных электродов производились в соответствии с ГОСТ-9466. Для определения твердости наплавленного металла и механических свойств на пластину из стали марки СтЗсп ГОСТ 380 выполняли многослойную наплавку с межваликовой температурой на последнем слое не выше 25±5°С. Размеры пластины 120x80x20 мм (с предельными отклонениями длины и ширины ±5 мм, толщины ±2 мм), площадь наплавки 80x90 мм. Ширина наплавляемых валиков не менее 15...18 мм. Измерение твердости наплавленного металла осуществлялось по ГОСТ-9012, механические испытания по ГОСТ 6996. Для испытаний на разрыв и ударную вязкость вырезали по 3 образца (вдоль наплавки) тип - П и VI.

При наплавке, согласно требованиям РД 03-613-03, разработанным СРО НП «НАКС», оценивались следующие сварочно-технологические показатели: род тока, полярность, легкость возбуждения и стабильность горения дуги, качество формирования шва, эластичность дуги, производительность наплавки, отделимость шлаковой корки, ширина валиков, формирование поверхности, норостойкость.

Пробы для химического и спектрального анализов наплавленного металла отбирали из двух верхних слоев образца.

Химический состав наплавленного металла определялся по ГОСТ 12344 - 12348, ГОСТ 12350, ГОСТ 12351, ГОСТ 12356, ГОСТ 18895.

Рассмотрена методика получения наплавочных электродов для восстановления узлов и деталей железнодорожного транспорта, основанная на методах термодинамического моделирования. Для того, чтобы получить сварочный материал с заданными свойствами, требуется длительное время. Поэтому на современном этапе развития технологий создания новых сварочных материалов интенсивно развиваются компьютерные методы их построения, которые позволяют сократить трудоемкость разработки.

При разработке новых покрытий электродов используются, как сырьевые, так и не сырьевые компоненты, содержащие элементы примеси. Их присутствие в месторождениях минерального сырья Восточной Сибири существенно усложняют расчет по экспериментальной методике. Главные препятствия на пути эксперимента: многокомпонентность систем, неравновеспость многих реакций, необходимость упрощения систем и проведения большого числа экспериментальных исследований.

Термодинамическое моделирование практически не имеет этих ограничений. Тем не менее, экспериментальное изучение простых систем с точно контролируемыми параметрами дает необходимые данные для получения термодинамических характеристик. Опорные экспериментальные исследования сложных систем, в случае их безусловной надежности, являются хорошим контролем данных количественного термодинамического расчета. Завершающим этапом моделирования является не только создание компьютеризированной модели горения сварочного электрода, но и доказательство ее адекватности в прямых экспериментальных работах.

Для расчета химических равновесий металлургических процессов в сварочной ванне программный комплекс обеспечивает:

1. Полноту, детальность и точность математического представления термодинамических моделей в многокомпонентных, многофазных и многоагрегатных системах, в которых число потенциально возможных в равновесии фаз может значительно превышать число независимых компонентов.

2. Наложение одно-, двухсторонних ограничений на часть или все искомые мольные количества зависимых компонентов, введение дополнительных критериальных функций, расчеты неполных, промежуточных, частичных, условных и метастабильных равновесий.

3. Постановку и решение широкого класса обратных термодинамических задач.

4. Изучение термодинамической эволюции в совокупности взаимодействующих систем, связанных между собой и с окружающей средой прямыми и обратными потоками

вещества и энергии - модели термодинамических магистралей в динамических мегаеистемах.

5. Наличие надежного и безотказного алгоритма расчета химических равновесий в многокомпонентных, многофазных и многоагарегатных мультисистемах с различным типом равновесия по независимым параметрам состояния и с учетом введения дополнительных ограничений на искомые мольные количества зависимых компонен тов,

6. Решение задач с сильным отклонением от идеальности и возможностью расслоения твердых и жидких растворов, включая силикатные расплавы.

Программный комплекс «Селектор», используемый в данной работе, предназначен для расчетов сложных химических равновесий в системах, когда число фаз, потенциально возможных в равновесии, превышает число независимых компонентов. Среди потенциально возможных в равновесии и в решении фаз могут одновременно присутствовать: смесь газов, твердые углеводороды, минералы в виде твердых растворов и однокомпопентпых фаз, расплавы и плазма. Изучение неравновесной и метастабильной эволюции систем выполняется на основе принципа частичного равновесия.

База термодинамических данных включает наборы параметров уравнений, аппроксимирующих основные термодинамические характеристики индивидуальных веществ: минералы, газы, углеводороды, компоненты ионизированной плазмы. Для расчета изотермических изменений термодинамических функций используются: уравнение состояния Мурнагана для конденсированных фаз, уравнение состояния Ли-Кеслера для жидких и газообразных углеводородов и полуэмпирические уравнения состояния газов в приведенных параметрах по Гангули, Саксена, Фея, Спейшера, Рида, охватывающие большую область высоких температур и давлений.

Для ряда индивидуальных веществ, образующихся в процессе сварки, отсутствует ряд термодинамических характеристик, необходимых при моделировании высокотемпературных процессов, и, поэтому, в работе был проведен расчет этих параметров.:

Третья глава посвящена разработке опытных наплавочных электродов на основе минерального сырья Восточной Сибири, используемых для восстановления геометрических параметров деталей железнодорожного транспорта. Для получения электродов с качественными физико-химическими и механическими показателями была разработана схема, показывающая весь путь от подготовки исходных данных до выхода готовой продукции. Разработан оптимальный состав шихты и получены опытные электроды, обеспечивающие требуемые свойства процесса сварки, ' на основе использования метода термодинамического моделирования.

Электроды, полученные на основе минерального сырья Восточной Сибири, должны удовлетворять по физико-механическим характеристикам техническим условиям традиционных электродов АНП-13 (ТУ-1272-035-01124328-96) и обеспечивать хорошую комбинированную газошлаковую защиту сварочной ванны от воздействия внешней среды; устойчивое горение сварочной дуги; необходимые условия для качественного формирования шва, легкого отделения шлаковой корки, минимального разбрызгивания металла на угар; свойства наплавленного металла, не ниже свойств, получаемых при наплавке электродами типа Э-10Г2СХ по ГОСТ 10052 и ТУ-1272-035-01124328-96.

•Покрытие наплавочного электрода марки АНП-13 состоит из в масс.%: мрамор -10...18, рутил - 12...17, плавиковый шпат - 4...8, полевой шпат - 2,5...4,5, ферромарганец - 5,5...7,5, ферросилиций - 3,2...5, алюмшшево-мапшевый порошок -0,3...1, органические пластификаторы - 1...1.9, феррохром углеродистый - 0,6...1,1, феррованадий - 0,05...0,15, железный порошок - 50. .60. В качестве электродного стержня применяется низкоуглеродистая проволока Св-08А.

Получение электродов с качественными физико-химическими и механическими показателями реализовывалось по схеме, представленной на рис. 2.

Подготовка исходных данных

Выбор оптимальных источников минерального сырья Восточной Сибири доступных технологически и научно обоснованных Изучение химического и минералогического состава металлических и шлаковых систем покрытия электрода

Отбор проб, проведение химических анализов Разработка не сырьевых компонентов шихты сварочного электрода на территории Восточной Сибири

Формирование модели плавления сварочного _электрода_

Эксперимент

Выбор начальных условий ведения процесса сварки Анализ термодинамических характеристик индивидуальных веществ

Корректировка термодинамической модели

Анализ результатов расчетов состава наплавленного металла, шлака_

Электроды с качественными физико-химическими и механическими показателями

Рис. 2. Схема создания сварочных электродов на основе минерального сырья Восточной Сибири с помощью термодинамического моделирования

Для построения термодинамической модели плавления электрода в программе заданы внешние условия, в которых находилась система и се химический состав. На основе анализа диаграмм фазовых состояний создан набор фаз, образование которых наиболее вероятно в сварочной ваше.

При проведении исследований в лабораторных условиях на постоянных в пределах экспериментов материалах (проволока, растворы связующего стекла, ферросплавов), с помощью термодинамического моделирования производили корректировку химического состава шихты покрытия. После этого изготавливали опытные электроды и сопоставляли эксперимешальныс данные с расчетными параметрами.

Процесс плавления в термодинамической модели рассматривали при температурах от 1000 до 2400 "С с шагом 100 "С. В этих интервалах температур протекают основные процессы плавления сварочных электродов, включающие диссоциацию газообразующих компонентов, раскисление, окисление, рафинирование.

Расчет равновесного состава металла и шлака, отражающего процесс охлаждения сварочной ванны, производили с помощью создания дополнительной модели, которая представляет собой этапы кристаллизации наплавленного металла и затвердевания шлака при температурах 2200...2400 "С - усредненная температура сварочной ванны;

1500... 1600 °С - начало кристаллизации компонентов в сварочной ванне; 200...300 "С -завершение кристаллизации.

В соответствии со спецификой металлургии сварочных процессов заданы параметры подвижности каждого компонента в газовой, шлаковой фазе и в расплаве.

Рабочий список потенциально возможных компонентов, характеризующих систему процесса плавления электрода АНП-13 в равновесии, включает 19 независимых компонентов А^ьБе-Са-ТШа-Си-Мё-Мп-Сг-У-гг-О-Н-С-К-Р-З-Р; 75 компонентов газовой фазы, 193 компонента твердых фаз и 49 компонентов расплавленной фазы. Основные зависимые компоненты модели представлены в табл. 5.

Таблица 5 - Основные зависимые компоненты модели А1-51-Ре-Са-Т1-Ка-Си-Мя-Мп-Сг-У-гг-0-Н-С-К-Р-8-Р

Газовая фаза: Н, Н2, ОН, НР, О, СО, С02, Р205, ЗОДОг, ЭОз, ЫагО, К20, 51Р4, МпО

Шлаковая фаза

Кварц - 5Ю2 Родонит - МпЭЮг

Рутил - ТЮ2 Силикат - \'а25Ю:.

Корунд -А120з Перовскит - СаТЮ3

Вюстит - РеО Калиевый полевой шпат - К2А125Ю6

Гематит - Ре203 Альбит - Ма2А128]Об

Периклаз - М§0 Сфен - СатаЮ5

Окись кальция - СаО Сульфид кальция - СаЭ

Сульфид марганца - МпЭ Манганозит - МпО

Сульфид железа - РеЗ Ранкинит - Са^гО,

Двуокись циркония - 2г02 Авгит - СаА125Юб

Плавиковый шпат - СаР2 Герценит - РеА1204

Карбонат кальция - СаСОз Фосфаткальция - СаР20б

Волластонит - СаБЮэ Калиофелит - К2Ре5Ю4

Двухкальцевый феррит - 2РеМп02 Марокит - СаМп204

Клиноэнстатит - Л^ЭЮз Пироксен - РеБЮз

Ильменит - РеТЮз

Дисиликат калия - К25Ю3

Расплав: С, ре, V, Сг, А1, Мг, Мп,МпО, Р, Э, ЯЮ2, РеО, МпО, Ре25Ю4, Ре3С, РеБ, УО, А1203,

МйО, Са, СаО, СаРг ТЮ2, ТЬ03, Т1305

В результате термодинамического моделирования установлено, что химический состав металла электрода АНП-13 удовлетворяет предъявляемым требованиям. Шлаковая фаза по химическому составу незначительно отличается от реальных шлаков. Газовая фаза представлена продуктами высокотемпературного преобразования карбонатов, рутила, калиево-натриевого стекла, плавикового шпата, главным образом СО, С02, Н2, ОТ, Ка20, К20.

На основе термодинамической модели процесса плавления электрода, тестированной по результатам плавления электродов АНП-13, построена модель плавления опытного электрода, в которой стандартные компонента шихты заменены на региональные: мрамор плавиковый шпат, периклазовый порошок и алюминиевый порошок. Согласно результатам моделирования, опытные электроды, по сравнению с АНП-13, характеризуется более низким содержанием С02 и увеличением содержания закиси железа в шлаковой фазе. Это подтвердило предположение о неудовлетворительном качестве мраморов с месторождения «Перевал», поэтому в состав покрытия дополнительно введен магнезит. Оптимальное соотношение мрамора и магнезита определяли за счет введения в модель, автоматически изменяющихся соотношений мрамора и магнезита в интервале от 0,1 часть мрамора - 0,9 частей магнезита, и 0,9 частей мрамора - 0,1 магнезита частей, с шагом 0,1.

В результате было определено оптимальнее соотношение мрамора - магнезита 0,4 - 0,6 частей, соответственно. Компонентный состав полученных электродов приведен в таблице 6.

Таблица 6 - Компонентный состав электродных покрытий

Наименование компонентов Стандарт Массовая доля компонентов, %

АНП-13 Опытный

Мрамор ГОСТ 4416 10..18 -

Мрамор, карьер «Перевал» ТУ - 7-12

Магнезит ТУ - 5-8

Плавиковый шпат ГОСТ 4421 4..8 4..8

Рутиловый концентрат ГОСТ 22938 12..17 12..17

Полевой шпат ГОСТ 4422 2,5..4,5 -

Периклазовый концентрат ГОСТ 24862 - 2,5-4,5

Ферромарганец ГОСТ 4755 5,5-7,5 5,5-7,5

Ферросилиций ГОСТ 1415 3.2..5 3,2-5

Феррохром ГОСТ 4757 0,6..1,1 0,6-1,1

Феррованадий ГОСТ 4760 0,05-0,15 0,05-0,15

Алюминиево-магниевый порошок ГОСТ 5593 0,3-1 0,3-1

Железный порошок ГОСТ 9849- 50-60 50..60

Целлюлоза ТУ 1,1-1,5 1,1

Натрий карбоксиметилцеллюлоза очищенная КМЦ ОСТ 0,3-0,6 0,3

Силикат калиево-натриевый ТУ 22-27 22...27

Согласно данным термодинамического моделирования плавления шлаковых систем АНП-13 и опытного электрода в интервале температур 1800...2500 "С (рис.3), установлены следующие закономерности. При температуре 1800 "С происходит полное расплавление электрода. В интервале температур 1800...2000 °С содержание окислов железа в шлаковой фазе незначительно снижается, или остается, практически, без изменения. Расплавление введенных в состав покрытия интерметаллидов ферромарганца и ферросилиция в интервалах температур 2200...2300 °С существенно снижает их содержание. Таким образом, при увеличении температуры происходит интенсивный переход железа из металла в шлак. Следовательно, при качественной газошлаковой защите и введении достаточного количества раскислитслей, процесс снижения содержания окислов железа в наплавленном металле можно оптимизировать. Этот факт подтверждается, как экспериментальными исследованиями, так и результатами термодинамического моделирования.

С помощью термодинамической модели показано, что оптимальный состав шихты опытных электродов обеспечивается за счет замены 0,4 частей мрамора на магнезит. За счет этого обеспечивается необходимая шлаковая и газовая защита наплавляемого металла.

Сформированная термодинамическая модель на примере электрода АНП-13 с высокой точностью на качественном и количественном уровне описывает процессы плавления. Достоверность расчетов подтверждена экспериментально.

Показано, что термодинамическое моделирование сварочных процессов, протекающих в высокотемпературных интервалах, методом минимизации термодинамических потенциалов, в отличие от других расчетных методов, основанных на константах равновесия химических реакций, позволяет определять направление

протекания процессов в сварочной ванне, с высокой точностью оценивать равновесный состав гетерогенной системы газ - шлак - металл.

1800 2000 2200 2400 2600

Температура °С

а)распределение Si02-Ti02-Fe0-Ca0 в интервале температур 1800...2500 °С

Температура °С

б) распределение Ca0-Mn0-Mg0-A1203B интервале температур 1800...2500 "С Рис. 3. Результаты термодинамического моделирования шлаковых систем электрода АНП-13 и опытного электрода на основе минерального сырья Восточно-Сибирского региона.

Для обеспечения требуемых защитных, металлургических, сварочно-технологических свойств полученных опытных электродов с покрытием из минерального сырья Восточно-Сибирского региона необходимо проверить, чтобы их физические свойства (температура плавления, поверхностное натяжение, вязкость, электропроводность) шлаковой системы были на уровне стандартных электродов АНП-13. Проверку производили по методике, предложенной учеными Д.П. Чепрасовым и C.B. Кравченко, для многокомпонентной системы с известным оксидным составом по следующим уравнениям:

для температуры плавления - Г = кт ■ ■ Т?)/100% (1)

вязкости - г; = кг> ■ 1(С( • ?}р ) /100%, (2)

поверхностного натяжения - и = к6 ■ ■ а¡°) /100%, (3)

электропроводности -= к ■ • /МОК, (4), где Т,т;, а, - температура плавления, вязкость, поверхностное натяжение, электропроводность шлаковой системы; С. - массовая доля 1-го оксида. -

температура плавления, вязкость, поверхностное натяжение, электропроводность ¡-го оксида.&г, к4 - коэффициенты корреляции, для электродов с рутиловым и основным покрытием: кт = 0.635, к,=0.16, ^=0,915, ¿=1,3. ..1,8.

Проведенные расчеты позволяют установить, что физические свойства опытных электродов незначительно отличаются от электродов АНП-13. В табл. 7 приведены физические свойства исследуемых шлаковых систем и известные физические свойства традиционных электродов МР-3 и УОНИ 13/45.

Таблица 7 - Физические свойства шлаковой системы опытных электродов

Параметры Марка электрода

Опытный АНП-13 МР-3, УОНИ 13/45

, с 1200 1144 1150...1300

<т?, мН/м (1300=0 317,05 311,7 315...395

t}¡. Па-с (1300°О 0,573 0,58 0,2

?, (Ом-см)"1 (1300'О 1,156 1,416 0.6...3

В четвертой главе реализованы результаты термодинамического моделирования, изучены сварочно-технологические свойства наплавленного металла опытных электродов на соответствие электродам марки АНП-13 (ТУ-1272-035-01124328-96), проведены исследования химического состава сварочных шлаков покрытий электродов, полученных на основе минерального сырья Восточной Сибири.

Для доказательства полученных результатов выполнены замесы опытных электродов, образцам присвоены номера -№1 (исходный) и №2 (откорректированный состав). В результате наплавки визуальным осмотром установлено, что на поверхности образцов наплавлешгыми электродами№1 присутствуют незначительные скопления пор и шлаковых включений. У образцов №2 дефектов не обнаружено, отмечена хорошая отделимость шлаковой корки. Таким образом, корректировка состава покрытия, выполненная за счет введения добавки магнезита в шихту, позволила добиться образования газов более качественного состава, что позволяет оптимально вести процесс сварки с помощью электрода с составом № 2.

Исследование экспериментальных электродов №1 и №2 из минерального сырья Восточной Сибири показали: микроструктура металла трех- наплавленных образцов электрода марки опытного электрода №1 (рис. 4) имеет столбчатое строение и состоит из перлита. Феррит располагается по междендритным прослойкам. Наплавленный металл плотный. Несплавлений и микротрещин не обнаружено. В одном из трех исследованных образцов обнаружены шлаковое включение и пора, заполненная шлаком размером менее 0,1. Твердость наплавленного металла HVml88 - 201; микроструктура наплавленного металла опытного электрода №2 (рис. 5) мелкодисперсная, имеет столбчатое строение и состоит из перлита и феррита. Наплавленный металл плотный, несплавлений, шлаковых включений, микротрещин и пор в наплавленном металле исследуемых образцов не обнаружено. Твердость наплавленного металла НУю233-252.

xlOO x500

Рис. 4. Микроструктура наплавленного металла опытным электродом №1

х100 х 500

Рис. 5. Микроструктура наплавленного металла опытным электродом №2

Химический анализ шлаков выполнен на ренггенофлуоресцентном спектрометре S4 Pioneer (BrukerAXS, Германия) с рентгенооптяческой схемой по Соллеру. Для возбуждения флюоресценции использована рентгеновская трубка с анодом из Rh. Рентгеновское излучение регистрируют сцинтилляционный и проточно-пропорциональный счетчики.

Сравнение результатов термодинамического моделирования и химического анализа состава шлаков и наплавленного металла представлено в табл. 8, 9.

В целом состав фаз, образовавшихся в процессе сварки опытных электродов, соответствует составу фаз, образующихся при использовании электрода АНП-13.

В целях проверки сварочно-технологических характеристик полученных электродов изготовлена опытная партия. Наплавка выполнялась постоянным током обратной полярности на режиме: IM= 160...180А; 11д= 26. ..29В. Скорость наплавки была одинаковой и составляла =8м/ч. При этом оценивались сварочно-технологические свойства, согласно требованиям РД 03-613-03, разработанным СРО НП НАКС.

Результаты испытаний контролируемых параметров при определении сварочно-технологических свойств представлены в табл. 10.

Таблица 8 - Сопоставление результатов химического анализа шлаков с результатами термодинамического моделирования (%) ,

Марка электрода ТЮ2 БЮг СаО МпО М§0 Ре203 А120З Ыа20 К:0 Сг20, БОз

АНП-131 26,33 24,65 22.07 9,77 0.43 4,22 5,56 4,04 2.68 0,26 0,04

АНП-132 27,27 28,04 21,20 11,90 1.06 5,30 2,40 2,10 1.42 0,20 0,04

Опыт-№1' 29,04 21,29 16,43 13,71 4.78 5,97 2,92 1.93 3,48 0,45 0,06

Опыт-№12 29,46 21,78 16,24 14,20 4.86 5,86 2,86 1.78 3,41 0,30 0,04

Опыт-№2' 29,31 21,63 12,68 12,10 11.18 4,04 3,31 1.92 3.38 0,47 0,10

Опыт-№2г 29,48 21,39 13,14 12,56 11.46 3,94 3,11 1.82 3,26 0,30 0,04

Таблица 9 - Сопоставление результатов термодинамического моделирования и химического

состава металла

Марка электрода Массовая доля элементов,%

С Б! Мп П Сг V Я Р

АНП-131 <0,15 0,50-0,90 1,8-2,5 0,4-0,6 <0,08 <0,030 <0,030

АНП-13'1 0,08 0,85 2,56 0,84 0,07 0,019 0,024

Опыт-№1' 0,11 0,72 1,86 0,44 0,06 <0,030 <0,030

Опыт-ХН' 0,08 0,68 2,12 0,84 0,07 0,019 0,024

Опыт-№2' 0,11 0,78 2,34 0,46 0,06 <0,030 <0,030

Опыт-№2^ 0,08 0,68 3,01 0,84 0,07 0,019 0,024

Примечание: 1- Экспериментальные данные, 2- Результаты термодинамического моделирования.

Таблица 10 - Сварочно-технологические свойства серийных опытных электродов

Марка электрода Опытный АНП-13

Возбуждение дуги Хорошее Хорошее

Стабильность горения дуги Высокая Высокая

Отделимость шлаковой корки Хорошая Хорошая

Эластичность дуги Хорошая Хорошая

Формирование поверхности валиков Мелкочешуйчатая Мелкочешуйчатая

Поростойкость Пор нет Пор нет

Испытаниями установлено, что у опытных электродов хорошая отделимость шлаковой корки без усилий, формирование шва хорошее, формирование поверхности валика мелкочешуйчатое, разбрызгивание незначительное, пор в процессе наплавке не обнаружено; сварочно-технологические свойства соответствуют электродам АНП-13.

Содержание диффузионного водорода в наплавленном металле (табл. 11) определяли методом «карандашных проб».

Образцы для изучения механических характеристик вырезались из наплавленного металла на пластину из стали СтЗ по ГОСТ 6996.

Испытания проводили на универсальной испытательной машине ЬР 300, копер маятниковый «ХУаНег+Ва^АО», твердомер ТШ-2М

На рис. 7 представлена торцевая часть образца вырезанного из наплавленного металла опытными электродами и результаты измерения твердости.

Внешний вид образцов после испытаний на растяжение и ударную вязкость представлены на рис. 8 и 9. Результаты механических испытаний представлены в табл. 12.

Таблица 11 - Содержание водорода в наплавленном опытными электродами металле

Марка электрода № эвдиометра 17 3 V, см Р, гр [Н], см3/100 г

АНП-13 1 0,65 15,582 4,17

2 0,9 23,161 3,89

3 0,7 17,640 3,97

Опытный 1 0,7 13,843 5,05

2 0,8 16,221 4,93

3 0,85 16,979 5,01

Таблица 12- Механические характеристики металла при наплавке опытными электродами

Марка электрода Твердость наплавленного металла, НВ Предел текучести е5т, МПа Предел прочности ат, МПа Относительное удлинение, 85, % Относительное сужение у, % Ударная вязкость а„, Дж/см2

Опытный 255-290 932,6 1048 13,2 36.3 110,2

АНП-13 260-296 960,8 1086 12,6 34,5 112,4

Рис. 7. Поперечное сечение образца с замерами твёрдости

растяжение

Рис. 9. Внешний вид образцов после испытания на ударный изгиб

В пятой главе разработана технология наплавки деталей железнодорожного транспорта опытными электродами и приведены результаты опытно-сравнительных испытаний созданными электродами.

Экспериментальные работы по наплавке изношенных поверхностей проводились на корпусах букс колесных пар тележек грузовых вагонов магистральных железных дорог, согласно «Инструкции по сварке и наплавке при ремонте грузовых вагонов» ЦВ-201. Опытный элеетрод и электрод АНП-13 диаметром 4 мм перед наплавкой прокаливались в печи 2 часа при температуре 380 "С. Перед наплавкой, опорные поверхности «Б» и направляющие поверхности «А» (рис. 10) зачищались до металлического блеска. Наплавку опорных поверхностей «Б» производили в 2 слоя с припуском на механическую обработку 2 мм. Восстановление поверхностей «А» производили «крсст - накрест», при этом производили проковку каждого слоя металла для релаксации внугренних напряжений сразу после завершения наплавки. После выполнения последнего прохода корпус буксы оставляли в нагруженном состоянии до полного охлаждения.

Контроль и оценка качества наплавленных поверхностей производились следующими методами: внешним осмотром - после наплавки и остывания и после механической обработки с использованием лупы х5; шаблоном для контроля расстояния между челюстями вдоль оси вагона (328,2°); шаблоном для контроля расстояния от оси буксы до опорной поверхности (173+1); электронным прибором для контроля размеров и формы внутренней части корпуса буксы модель БВ-7588.; замеры твердости обработанных поверхностей производили переносным твердомером ТЭМП-3. После проведенных испытаний наллавлешше буксы установлены на грузовой вагон и направлены в эксплуатацию. На момент проведения последующих замеров пробег вагона составил 68000 км. Результаты измерений приведены в табл. 13.

Таблица 13 - Результаты опытно-сравнительных испытаний

Номер буксы Опорная поверхность, мм Направляющие, мм Твердость, НВ

До После После До После После До После

наплавки наплавки испытаний наплавки наплавки испытаний испытаний испытаний

Опытный

1 1 166 176 172,6 322 326 323,5 268 274

2 165 175 173,2 317 327 323 264 274

3 166 176 172,5 316 326 323 267 275

4 164 175 173 323 326 323 266 273

АНП-13

5 167 175 173,5 316 326 324 270 279

6 166 176 173,2 322 327 323 272 280

7 165 175 172,9 323 326 322 273 279

8 167 175 172,8 317 327 324 270 277

В результате опытно-сравнительных испытаний разработанные электроды показали хорошие сварочно-технологические свойства при наплавке - стабильное горение дуги, хорошее формирование валика, ровную и хорошо отделяющуюся шлаковую корку при низком разбрызгивании метала. Износ наплавленных поверхностей, практически, не отличается от износа поверхностей, наплавленных серийными электродами АНП-13.

Из приведенных данных следует, что средняя твердость восстановленных поверхностей корпусов букс наплавленных опытных электродов и АНП-13 составила 274 НВ и 279 НВ соответственно. Средний износ опорных поверхностей составил 2,67 мм и 2,34 мм, направляющих 3,13 мм и 3,0 мм. Таким образом, результаты эксплуатационной проверки показали высокую работоспособность деталей, восстановленных опытными электродами.

Основные результаты и выводы по работе

1. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность вовлечения компонентов минерального сырья Восточно-Сибирского региона в производство электродных покрытий. Разработан состав электрода типа Э-10Г2СХ для ручной дуговой наплавки с использованием покрытий на основе регионального сырья. Результаты исследований подтверждены актами опытно-сравнительных испытаний.

2. Впервые выполнено комплексное исследование потенциальных компонентов сварочных материалов на основе сырья из месторождений Восточно-Сибирского региона на перспективу их использования в качестве традиционных компонентов покрытий сварочных электродов.

3. Разработана термодинамическая модель плавления электрода, полученного на основе использования компонентов минерального сырья Восточно-Сибирского региона, доказана ее адекватность экспериментальным данным. Представленная модель позволяет существенно минимизировать затраты на корректировку традиционных и разработку новых сварочных покрытий. На основе результатов термодинамического моделирования теоретически обоснован выбор компонентов минерального сырья, пригодного для производства сварочных электродов.

4. Разработанный способ расчета состава компонентов плавления сварочных электродов, основанный на мшгимизации свободной энергии, позволяет эффективно без существенных затрат на экспериментальные исследования подбирать оптимальный качественный и количественный состав шихты. Показано, что термодинамическое моделирование сварочных процессов, протекающих в высокотемпературных интервалах, методом минимизации термодинамических потенциалов в отличие от других расчетных методов, основанных на константах равновесия химических реакций, позволяет определять направление протекания процессов в сварочной ванне, с высокой точностью оценивать равновесный состав гетерогенной системы газ - шлак - металл. Экспериментально доказана возможность использования мрамора, магнезита и плавикового шпата рассматриваемых месторождений в составе покрытия сварочного электрода.

5. Опытным путем дана оценка сварочно-технологическим свойствам электродов с разработанным составом покрытия на основе минерального сырья Восточно-Сибирского региона. Показано, что твердость и износ поверхностей корпусов букс, наплавленных опытными электродами, соответствуют нормативно-технической документации по сварке и наплавке при ремонте грузовых вагонов, а также требованиям, предъявляемым к электродам АНП-13.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Матафонов A.A., Бычинский В.А., Рущ Е.А. Сварочные электроды из минерального сырья Восточной Сибири, полученные на основе результатов физико-химического моделирования//Вестник ИрГТУ, 2010.- №7(47).- С. 152-157.

2. Матафонов A.A., Бычинский В.А., Руш Е.А. Получение наплавочных электродов для восстановления узлов и деталей железнодорожного транспорта иа основе минерального сырья Восточной Сибири// Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, 2011,- №3 (31) - С. 238-243.

3. Матафонов A.A. Опытно-сравнительные испытания сварочных электродов// Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, 2011.- №4 (32).- С144-149.

Статьи в сборниках трудов, другие публикации:

4. Руш Е.А., Матафонов A.A. Возможные направления использования отходов обогащения слюды месторождений Восточной Сибири для различных технологических процессов предприятий железнодорожного транспорта// Технические, экономические и экологические проблемы транспорта: Материалы международной научно-практической конференции.- Брянск: РГОТУПС, 2008.- С. 62-67.

5. Матафонов A.A. Перспективные направления использования местного сырья и отходов Восточно-Сибирского региона для производства сварочных материалов//Интеллект - 2008: Сборник материалов Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.- Красноярск, 2008.- С. 122-124.

6. Руш Е.А., Матафонов A.A. Анализ возможностей использования минерального сырья Восточной Сибири для получения новых составов сварочных материалов// Безопасность регионов - основа устойчивого развития: Материалы второй международной научно-практической конференции,- Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2009.- Т. 1.- С. 255-258.

7. Матафонов A.A., Руш Е.А. Анализ сварочных материалов Восточно-Сибирской железной дороги, тенденции развития и поиск сырьевых компонентов// Современность в творчестве вузовской молодежи: Материалы 11 научно-практической конференции молодых ученых.- Иркутск: ФГОУ ВПО ВСИМВД РФ, 2009.- С. 180-184.

8. Матафонов A.A., Руш Е.А. Исследование процессов горения сварочного электрода АНП-13 с использованием минерального сырья Восточной Сибири методом физико-химического моделирования// Сборник материалов VU Конгресса обогатителей стран СНГ. - Москва: МИСИС, 2009.- (CD- носитель).

Подписано в печать 27.02.2012 г. Формат 60х901Лб Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Гарнитура Times. Усл. печ. л. 1,04. Уч.-изд. л. 0,97. Тираж 100 экз. Зак. 211

Отпечатано: Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие «Урангеологоразведка», Юридический адрес: 115148, г. Москва, ул. Б. Ордынка, дом 49, стр.3. ИНН 7706042118 Справки и информация: БФ «Сосновгеология» «Глазковская типография». Адрес: 664039, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53; тел.: 38-78-40, тел./факс: 598-498

Введение

Глава 1. Анализ литературных данных о современном состоянии сырьевой базы для изготовления сварочных электродов, применяемых при восстановлении наплавкой изношенных деталей и узлов железнодорожного транспорта

1.1. Металлические покрытые электроды для наплавки изношенных деталей и узлов железнодорожного транспорта

1.2. Сырьевая база РФ для изготовления сварочных электродов, применяемых для наплавки железнодорожного транспорта

1.3Анализ сырьевой базы Восточно-Сибирского региона для производства сварочных покрытых электродов

1.3.1 Плавиковый шпат

1.3.2. Магнезит

1.3.3. Мрамор

1.3.4. Барий стронциевые карбонаты

1.3.5. Кварцевый песок

1.3.6. Ильменит

1.3.7. Волластонит

Глава 2. Материалы и методы исследований

2.1. Металлический стержень и шихта для изготовления опытных наплавочных электродов

2.2. Методика оценки сварочно-технологических и механических свойств электродов

2.3. Методы оценки химического состава компонентов шихты, сварочных шлаков и наплавленного металла

2.4. Методы оценки высокотемпературных металлургических процессов протекающих в сварочной ванне

Глава 3. Теоретические исследования термодинамических и физических свойств шлаковой системы, расчет состава шихты на основе минерального сырья Восточно-Сибирского региона

3.1. Исходные данные

3.1.1. Конструирование термодинамических свойств СаО

3.1.2. Конструирование термодинамических свойств Т

Создание новых сварочных материалов, обладающих высокими физико-механическими и технологическими свойствами, а также разработка экономичных и экологически безопасных технологий их получения является важной народнохозяйственной задачей. Для Восточной Сибири эта проблема представляется весьма актуальной, вследствие отсутствия развитой промышленной базы для переработки и производства материалов.

В зависимости от функционального назначения химический состав покрытий сварочных электродов разнообразен и требует строгого выполнения определенных условий по рецептуре. В настоящий момент российские производители покрытых металлических электродов испытывают хронический дефицит основных и вспомогательных сырьевых материалов, входящих в состав электродных покрытий. Поставщики сырья, находящиеся за пределами РФ, определяют условную политику в электродном производстве, в частности, в Восточно-Сибирском регионе. В связи с этим появилась необходимость изучения регионального сырьевого комплекса, как эффективного средства минимизации затрат на производство сварочных материалов. На территории Восточно-Сибирского региона имеются большие запасы разведанного минерального сырья и отходов горно-обогатительных, металлургических, целлюлозно-бумажных производств, пригодных для получения отдельных компонентов и химических соединений, входящих в состав покрытий сварочных электродов, шихты порошковых проволок, флюсов. Вовлечение этих ресурсов в производство поможет решить проблему поиска недорогих им-порг-заменяющих сварочных материалов.

Замена традиционного сырья на сырье, полученное из других месторождений, является и теоретической задачей, требующей постановки дополнительных экспериментальных исследований и модельных испытаний по определению составов сварочных материалов, формированию на их основе новых рецептур. Одним из возможных инструментов ее решения является термодинамическое моделирование, позволяющее исследовать равновесие многокомпонентных систем.

Цель исследований - обоснование возможности вовлечения компонентов минерального сырья Восточно-Сибирского региона в производство электродных покрытий и разработка на их основе состава покрытия электрода типа Э-10Г2СХ для ручной дуговой наплавки.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

- изучить состав и свойства минерального сырья Восточной Сибири на перспективу их использования в качестве традиционных компонентов покрытий сварочных электродов;

- проанализировать традиционные шлаковые диаграммы состояния неметаллических веществ, применительно к сырью Восточно-Сибирского региона;

- разработать термодинамическую модель плавления электрода, полученного на основе использования компонентов минерального сырья ВосточноСибирского региона, доказать ее адекватность экспериментальным данным;

- оценить сварочно-технологические свойства разработанного электрода.

Научная новизна:

- впервые выполнено комплексное исследование потенциальных компонентов сварочных материалов на основе сырья из месторождений Восточно-Сибирского региона;

- на основе результатов термодинамического моделирования теоретически обоснован выбор компонентов минерального сырья, пригодного для производства сварочных электродов;

- экспериментально доказана возможность использования мрамора, магнезита и плавикового шпата рассматриваемых месторождений в составе покрытия сварочного электрода;

- опытным путем дана оценка сварочно-технологическим свойствам электродов с разработанным составом покрытия на основе минерального сырья Восточно-Сибирского региона.

Практическая ценность работы заключается в разработке термодинамической модели плавления электрода, позволяющая существенно минимизировать затраты на корректировку традиционных и разработку новых сварочных покрытий.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований предложен опытный состав покрытия электрода, соответствующего типу Э-10Г2СХ. Результаты исследований подтверждены актами опытно-сравнительных испытаний.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Изучение состава и характеристик компонентов сварочных материалов из минерального сырья Восточно-Сибирского региона.

2. Способ расчета компонентного состава сварочных электродов.

3. Составы возможных композиций сварочных материалов с использованием компонентов сырья Восточно-Сибирского региона, рассчитанные на основе результатов термодинамического моделирования.

4. Результаты технологических испытаний.

Обоснованность и достоверность результатов

Достоверность и обоснованность основных научных результатов обеспечивалась многократным воспроизводством в модели экспериментальных данных, полученных различными методами исследования. Обоснованность предлагаемой рецептуры покрытия нового электрода подтверждена опытными испытаниями на объектах ВСЖД - филиала ОАО «Российские железные дороги». б

Личный вклад автора

Исследования, представленные в диссертации, являются результатом работы автора, который самостоятельно выполнял термодинамические расчеты и экспериментальные исследования, внес основной вклад в обработку результатов термодинамического моделирования и подготовку научных публикаций. Автор лично принимал участие на стадии опытных испытаний сварочных электродов с новыми компонентами в составе покрытия.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной научной конференции: «Технические, экономические и экологические проблемы транспорта» (г. Брянск, РГОТУПС, 2008); на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Интеллект 2008» (г. Красноярск, 2008); на научно-практической конференции с международным участием: «Технические, экономические и экологические проблемы транспорта» (г. Иркутск, ИрГУПС, 2009); на научно-практической конференции с международным участием: «Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог» (г. Иркутск, ИрГУПС, 2009); на научно-практической конференции молодых ученых: «Современность в творчестве вузовской молодежи», (г. Иркутск, ФГОУ ВПО ВСИ МВД РФ, 2009); на V конгрессе обогатителей стран СНГ (г. Москва, 2009); на Всероссийском конкурсе молодежных авторских проектов «Моя страна - моя Россия» (г. Москва, 2009).По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе - три статьи в журналах, рекомендуемых ВАК России.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложения общим объемом 152 страницы, включая 33 таблицы, 24 рисунка и списка цитируемой литературы из 130 наименований.

Основные результаты и выводы по работе

1. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность вовлечения компонентов минерального сырья Восточно-Сибирского региона в производство электродных покрытий. Разработан состав электрода типа 3-10Г2СХ для ручной дуговой наплавки с использованием покрытий на основе регионального сырья. Результаты исследований подтверждены актами опытно-сравнительных испытаний.

2. Впервые выполнено комплексное исследование потенциальных компонентов сварочных материалов на основе сырья из месторождений Восточно-Сибирского региона на перспективу их использования в качестве традиционных компонентов покрытий сварочных электродов.

3. Разработана термодинамическая модель плавления электрода, полученного на основе использования компонентов минерального сырья Восточно-Сибирского региона, доказана ее адекватность экспериментальным данным. Представленная модель позволяет существенно минимизировать затраты на корректировку традиционных и разработку новых сварочных покрытий. На основе результатов термодинамического моделирования теоретически обоснован выбор компонентов минерального сырья, пригодного для производства сварочных электродов.

4. Разработанный способ расчета состава компонентов плавления сварочных электродов, основанный на минимизации свободной энергии, позволяет эффективно без существенных затрат на экспериментальные исследования подбирать оптимальный качественный и количественный состав шихты. Показано, что термодинамическое моделирование сварочных процессов, протекающих в высокотемпературных интервалах, методом минимизации термодинамических потенциалов в отличие от других расчетных методов, основанных на константах равновесия химических реакций, позволяет определять направление протекания процессов в сварочной ванне, с высокой точностью оценивать равновесный состав гетерогенной системы газ - шлак -металл. Экспериментально доказана возможность использования мрамора, магнезита и плавикового шпата рассматриваемых месторождений в составе покрытия сварочного электрода.

5. Опытным путем дана оценка сварочно-технологическим свойствам электродов с разработанным составом покрытия на основе минерального сырья Восточно-Сибирского региона. Показано, что твердость и износ поверхностей корпусов букс, наплавленных опытными электродами, соответствуют нормативно-технической документации по сварке и наплавке при ремонте грузовых вагонов, а также требованиям, предъявляемым к электродам АНП-13. 1 2 З 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

1. Berman R.G. Internally-consistent thermodynamic data for minerals in the system Na20-K20-Ca0-Mg0-Fe0-Fe203-Al203-Si02-Ti02-H20-C02. J. Petrol. V.29(2), 1988. -P. 445-522.

2. Berman R.G., Brown Т.Н. Heat capacity of minerals in the system Na20-K20-Ca0-Mg0-Fe0-Fe203-Al203-Si02-Ti02-H20-C02: representation, estimation, and high temperature extrapolation. (Erratum). Contr.Miner.Petrol. -V. 94, 1986.-P. 262.

3. Berman R.G., Engi M., Greenwood H.J., Brown Т.Н. Derivation of internally-consistent thermodynamic data by technique of mathematical programming: a review with application to the system Mg0-Si02-H20. J. Petrol. V. 27(6), 1986.-P. 1331-1364.

4. Chase M.W., Jr., Davies C.A., Powney J.R., Jr., Frurip D.J., McDonald R.A., Syverud A.N. JANAF Thermochemical Tables. Third Edition. Part I, Al-Co // Jornal of Physical and Chemical Referens Data. V. 14, 1985. Supplement №. 1.

5. Cox J. D. CODATA Key Values for Thermodynamics / J. D. Cox, D. D. Wagman, V. A. Medvedev. N. Y. : Hemisphere Publishing Corp., 1989. -285 p.

6. Holland T.J.B. The dependence of entropy on volume for silicate and oxide minerals: a review and a predictive model. Amer. Miner. 1989. V. 74. - P. 5-13.

7. Holland T.J.B., Powell R. An enlarged and updated internally consistentthermodynamic dataset with uncertainties and correlations: the system K20-Na20-Ca0-Mg0-Mn0-Fe0-Fe20-A1203-Ti02-Si02-C-H2-02. J.Metamorphic Geol. 1990. № 8. - P. 89-124.

8. Holland T.J.B., Powell R. An internally consistent thermodynamic dataset with uncertainties and correlations: 2. Data and results. J.Metamorphic Geol. 1985.-№3.-P. 343-370.

9. Kelley K.K. Contribution to the data theoretical metallurgy. XIII. High-temperature heat-content, heat-capacity and entropy data for the elements and inorganic compounds. -"U.S. Bur. Mines Bull", 1960, V. 584. - P. 232.

10. Maier C.G., Kelley K.K. An equation for the representation of hightempera-ture heat content data. J. Amer. Chem. Soc, V. 54, 1932. - P. 3243-3246.

11. Perkins E.H., Brown Т.Н., Berman R.G. PTX-System: Three programs for calculation of pressure-temperature-composition phase diagrams. Comput. Geosci. V. 12, 1986. - P. 749-755.

12. Robie R. A. Thermodynamic properties of minerals and related substances at 298.15 К and 1 bar (105 Pascals) pressure and at higher temperatures / R. A. Robie, B. S. Hemingway // U. S. Geological Survey. 1995. - Vol. 2131. -461 p.

13. Robie R.A., Haselton H.T.Jr, Hemingway B.S. Heat capacities and entropies of rhodochrosite (МпСОЗ) and siderite (FeC03) between 5 and 600 K. Amer. Miner. 1984. -V. 69.-P. 349-357.

14. Saxena S.K., Fei Y. High pressure and high temperature fluid fugacities. Geoch. Cosmoch. Acta 51. 1987. P. 783-792.

15. Woods T. L. Thermodynamic values at low temperature for natural inorganic materials: an uncritical summary / T. L. Woods, R. M. Garrels. N. Y. : Oxford university press, 1987. - 266 p.

16. Yokokawa H. Tables of Thermodynamic. Properties of Inorganic Compounds // J. of the national chem. laboratory for industry. Japan, 1988. -Vol. 83.-P. 27-121.

17. Айгуреев M., Байматов А. Исследования по разработке сварочных электродов на основе местных сырьевых материалов // Поиск. 2003. -№ 4.- С. 62-66.

18. Акулов. А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. // Технология и оборудование сварки плавлением. Учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1977. 432с.

19. Атлас шлаков. Справ. Изд. Пер. с нем. — М.: Металлургия, 1985.-208 с.

20. Баранов А. В., Брусницын Ю. Д., Кащенко Д. А., Соколов А. А. Совершенствование технологии производства сварочных электродов // Автоматическая сварка: Международный журнал. 2005. - № 12. - С. 43-44.

21. Басиев К. Д. Новые сварочные материалы из природно-сырьевых ресурсов республики Северная Осетия-Алания //Тр. Сев.-Кавк. гос. тех-нол. ун-та. 2000. - № 7, ч. 2. - С. 142-144.

22. Басиев К.Д., Рухлин Г.В., Бай матов A.M. Пластифицирующий и стабилизирующий компонент в покрытиях электродов основного типа // Сварочное производство. №4. 2003. С 23-24.

23. Басиев К.Д., Рухлин Г.В., Царикаев A.M. Использование природно-сырьевых ресурсов республики Северная Осетия-Алания в производстве сварочных электродов нового поколения // Вестник Владикавказского научного центра. №1. 2002. СКГТУ, Владикавказ.

24. Басиев К.Д., Стеклов О.И., Мойсов Л.П., Лозовой В.Г. Новые сварочные материалы из природно-сырьевых ресурсов Республики Северная Осетия-Алания // Сварочное производство. 2000. №3. С 39-40.

25. Белов Г. В. Моделирование равновесных состояний термодинамических систем с использованием ИВТАНТЕРМО для Windows / Г. В. Белов, В. С. Иориш, В. С. Юнгман // Теплофизика высоких температур. -2000,-№2.-С. 209-214.

26. Березин М.М., Лозинский В.Н. / Современное состояние сварочных технологий на железнодорожном транспорте // Вестник ВНИИЖТ. №3,2003.

27. Богрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. // Теория сварочных процессов. -Киев: Вища шк., 1976. 423 с.

28. Бычинский В.А., Исаев В.П., Тупицын A.A. Физико-химическое моделирование в нефтегазовой химии Ч. 1. Теория и методология физико-химического моделирования: Учеб. пособие.- Иркутск: Иркут. Ун-т,2004. -131 с.

29. Винокуров М.П., Суходолов А.П. Экономика Иркутской области: В 2т. Т. 1 .-Иркутск: Изд-во ИГЭА: Изд-во ОАО НПО «Облмашинформ», 1998.-276 с.

30. Волченко В.Н., Ямпольский В.М., Винокуров В.А. и др. // Теория сварочных процессов. Учеб. для вузов. Под ред. В.В. Фролова. М.: Высш. шк, 1988. 559 с.

31. Вороновский И.Н., Горбатов С.А., Глушков Ю.А., Ктиторов Р.Б.

32. Совершенствование технологии производства электродов УОНИ-13/55 // Сварочное производство 2001. №1. С 42-44.

33. Государственный стандарт. ГОСТ 4421-73. Концентрат плавико-вошпатовый для сварочных материалов.-М.: Изд-во стандартов, 1975.-5с.

34. Григоренко В.Г., Макиенко В.М., Строителев Д.В., Романов И.О.

35. Новая порошковая проволока для восстановления крестовин // Путь и путевое хозяйство. 2007. №8. С 37-38.

36. Думов С.И. Технология электрической сварки плавлением. JI.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1987. - 461 с.

37. Жуков Ю.Н., Кравченко C.B., Иванов В.И. Новые марки сварочных электродов общего назначения // Сварочное производство. 2003. №7. С 39-40.

38. Игнатченко П.В., Бугай А.И. О некоторых тенденциях развития сварочных материалов и сырьевых компонентов // Автоматическая сварка. 2005. №3. С 38-41.

39. Карпов И. К. Химическая термодинамика в петрологии и геохимии : справ. / И. К. Карпов, А. И. Киселев, Ф. А. Летников. Иркутск, 1971. -385 с.

40. Карпов И.К., Киселев А.И., Летников Ф.А. Моделирование природного минералообразования на ЭВМ. М.: Недра, 1976. - 256 с.

41. Кауфман Л., Бернстейн X. Расчет фазовых диаграмм состояния с помощью ЭВМ. Пер. с англ. М.: Мир, 1972.-326 с.

42. Квагинидзе В. С. Выбор сварочных материалов для проведения ремонтной сварки металлоконструкции горно-транспортного оборудования // Сварка в Сибири. 2004. - № 1. - С. 29.

43. Козлов В.И. Охрана труда и техника безопасности при проведении сварочных работ в Странах Европейского союза // Сварочное производство. 2002. №2. С 40-48.

44. Конищев Б. П. Электроды с рутил-целлюлозным покрытием // Сварка и диагност. 2007. - № 2. - С. 18-19.

45. Котов П.А. Усуглинское месторождение // Месторождения Забайкалья 12. кн. 1 ,-М.: Геоинформмарк, 1995.-С.190-193.

46. Котов П.А. Флюоритовые месторождения // Месторождения Забайкалья Т.2. кн.1.-М: Геоинформмарк, 1995.-С.179.

47. Котов ПА. Котова А.И. Гарсоиуйское месторождение // Месторождения Забайкалья. Т.2. кн.1.-М.: Геоинформмарк, 1995.-С.179-184.

48. Крюковский H.H. Производство электродов для дуговой сварки. М.: Машгиз, 1956г. 276с.

49. Кубашевский О.Б., Олкокк С. Металлургическая термохимия // Пер. с англ. Под ред. Шварцмана Л.А. М.: Металлургия, 1982. - 391 с.

50. Макиенко В.М., Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. Влияние компонентов шлаковой системы порошковых проволок на технологичность процесса наплавки и механические свойства наплавленного металла // Сварочное производство. 2006. №10. С 7-10.

51. Макиенко В.М., Баранов Е.М., Строителев Д.В., Романов И.О. Разработка состава шихты порошковой проволоки из минерального сырья Дальневосточного региона // Сварка в Сибири. 2004. №1. С 37-38.

52. Матафонов A.A. Опытно-сравнительные испытания сварочных электродов.// Современные технологии. Системный анализ. Моделирование,- 2011,- №4 (32).- С144-149.

53. Матафонов A.A., Бычинский В.А., Руш Е.А. Сварочные электроды из минерального сырья Восточной Сибири, полученные на основе результатов физико-химического моделирования.//Вестник ИрГТУ.-2010.-№7(47).-С.152-157.

54. Минералы. Диаграммы фазовых равновесий // Справочник. -М.: Наука, 1974. Вып. 1. 514 е.; Вып. 2. 490 с

55. Мойсов Л.П., Бурылев Б.П. Физико-химические основы создания но1 л лl jzвых сварочных материалов. Ростов н/Д.: Изд-во Рост. Ун-та, 1993.-80 с.

56. Мотов Д.Л., Максимова Г.К. Сфен и его химическая переработка на титановые пигменты. Л.: Наука, 1983. 88с.

57. Николаев А.И. Переработка нетрадиционного титанового сырья Кольского полуострова. Апатиты, 1991. 118с.

58. Николаев А.И., Герасимова Л.Г., Петров В.Б., Плешаков Ю.В., Брусницын Ю.Д. Титановое и титано-редкометалльное сырье Кольского полуострова для производства сварочных материалов // Сварочное производство 2004. №9. С 45-49.

59. Николаев А.И., Мельник H.A., Петров В.Б., Плешаков Ю.В., Брусницын Ю.Д. Радиационная оценка новых сварочных материалов на основе сырья Карело-Кольского региона // Сварочное производство 2000. №1. С 50-53.

60. Павлов Н.В., Лозинский В.Н., Кирьяков В.М., Клапатюк A.B. Патент (РФ) № 2104140 на электрод для ручной дуговой наплавки сталейсредней твердости от 10.02.1998.

61. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Пер. с англ. под ред. Соколова Б.И. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1982. -592 с.

62. Сидилин З.А. Современные ильминитовые электроды // Сварочное производство 2002. №1. С 33-38.

63. Сидлин З.А. Производство сварочных электродов в странах СНГ // Сварочное производство. 2002. №6. С 47-50.

64. Сидлин З.А. Производство электродов для ручной дуговой сварки. -Киев: Экотехнология, 2009г. 464с

65. Сидлин З.А. Электродное производство в России // Сварочное производство. 2005. №10. С 35-37.

66. Сидлин З.А., Тарлинский В.Д. Современные типы покрытий электродов и их применение для дуговой сварки сталей. М.: Машиностроение. 1984. 64с.

67. Скоснягин Ю. А., Лесной А. Б.Информационная система «Выбор электродов для ручной дуговой сварки» //Сварщик: Технологии, производство, сервис. Приложение к журналу «Автоматическая сварка». -2005. -№ 1. с. 26-27.

68. Спиридонов A.M., Непомнящих А.И., Воробьев Е.И., Гнилуша В.А.,

69. Сталл Д., Вестрам Э., Зинке Г. Химическая термодинамика органических соединений / Пер. с англ. Левицкого В.А., Сахарова В.М. М.: Мир, 1971.- 807 с.

70. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. -.ВИНИТИ, 1965.-Вып. 1.-145 с.

71. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1966. Вып. 2. - 95 с.

72. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1968. Вып. 3. - 221 с.

73. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1970. Вып. 4, ч. 1. - 509 с.

74. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1971.-Вып. 4, ч. 2.-431 с.

75. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1971. Вып. 5.-530 с.

76. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1972. Вып. 6, ч. 1. - 369 с.

77. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1973. Вып. 6, ч. 2. - 466 с.

78. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1974. Вып. 7, ч. 1. - 343 с.

79. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1974. Вып. 7, ч. 2. - 428 с.

80. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1978.-Вып. 8, ч. 1.- 535 с.

81. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1978. Вып. 8, ч. 2. - 535 с.

82. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1979. Вып. 9. - 574 с.

83. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1981.-Вып. 10, ч. 1.-299 с.

84. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1981.-Вып. 10, ч. 2.-441 с.

85. Термические константы веществ : справ. / под ред. В. П. Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1982. Вып. 10, ч. 3. - 635 с.

86. Термодинамика для химиков / Н. М. Бажин, В. А. Иванченко, В. Н. Пармон. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Химия ; Колос-С, 2004.

87. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Под ред. Глушко В .П. -М.: Наука, 1978-1982. Т. 1-4.

88. Термодинамические свойства индивидуальных веществ : справ, изд. : в 4 т. / J1. В. Гурвич и др.. 3-е изд., перераб. и расш- М. : Наука, 1982. .-Т. 4, кн. 2.-560 с.

89. Термодинамические свойства индивидуальных веществ : справ, изд. : в 4 т. / Л. В. Гурвич и др.. 3-е изд., перераб. и расш. - М. : Наука, 1978.-Т. 1, кн. 1.-496 с.

90. Термодинамические свойства индивидуальных веществ : справ, изд. : в 4 т. / Л. В. Гурвич и др.. 3-е изд., перераб. и расш. - М. : Наука, 1981.-Т. 3, кн. 2.-400 с.

91. Термодинамические свойства индивидуальных веществ : справ, изд. : в 4 т. / Л. В. Гурвич и др.. 3-е изд., перераб. и расш - М. : Наука,1978.-Т. 1, кн. 2.-328 с.

92. Термодинамические свойства индивидуальных веществ : справ, изд. : в 4 т. / Л. В. Гурвич и др.. 3-е изд., перераб. и расш - М. : Наука,1979.-Т. 2, кн. 1.-439 с.

93. Термодинамические свойства индивидуальных веществ : справ, изд. : в 4 т. / Л. В. Гурвич и др.. 3-е изд., перераб. и расш- М. : Наука, 1979.-Т. 2, кн. 2. -344 с.

94. Термодинамические свойства индивидуальных веществ : справ, изд. : в 4 т. / Л. В. Гурвич и др.. 3-е изд., перераб. и расш- М. : Наука,1981. Т. 3, кн. 1.-472 с.

95. Термодинамические свойства индивидуальных веществ : справ, изд. : в 4 т. / Л. В. Гурвич и др.. 3-е изд., перераб. и расш- М. : Наука,1982.-Т. 4, кн. 1.-623 с.

96. Торопов H.A. Диаграммы состояния силикатных систем: справочник/ H.A. Торопов и др. Л.: Наука, 1972. 499 с.

97. Тупицын А. А. Развитие и применение методов физико-химического моделирования природных и технологических процессов : дисс. докт. хим. наук. / А. А. Тупицын. Иркутск: 2011. - 352 с

98. Элерс Э. Интерпретация фазовых диаграмм в геологии. Пер. с англ. -М.: Мир, 1975.-299 с.

99. Явдощин И. Р., Скорина Н. В. Марченко А. Е., Фольборт О. И. Электроды нового поколения института электросварки им. Е. О. Патона HAH Украины // Мир техн. и технол.: Международный технический журнал. 2005. - № 11.-С. 50-51.